一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺的製作方法
2024-02-28 23:14:15
專利名稱：一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種並聯機構，特別是一種並聯平臺。
背景技術：
隨著機構學及地面運動模擬仿真技術的應用與發展，很多高成本的運動模擬實驗，諸如太空、空中及海洋中的實驗、訓練都改在陸地上進行，因地面實驗極大地降低了成本又有著安全可靠的特點，近些年得到了廣泛的應用。並聯運動模擬平臺因其具有剛度大、結構穩定、承載能力強、精度高、運動慣性小、正解困難而反解容易等優點，而被應用於飛機、艦船、汽車等的運動模擬。目前並聯運動模擬器絕大多數有六個自由度，其製造成本高、控制技術高、外形尺寸與工作空間比不合理，而且大負載的並聯機構一般採用液壓缸，成本高、不易維護，另外許多實驗不需要6個自由度，因此自由度數少於6的電機驅動運動模擬臺成為了目前機器人領域研發的熱點。由於電動缸較液壓缸承載能力小，因此提高電機驅動的少自由並聯機器人的承載能力成為拓展少自由度並聯機器人應用範圍的一個關鍵問題。中國專利CN201010136427. 6提出了一種兩自由度轉動解耦並聯機器人機構，該機構動平臺的轉動完全解耦，但裝配精度不易保證；中國專利CN201110283398. 0提出了一種含閉環子鏈的兩自由度並聯機構，該發明通過閉環子鏈控制平臺運動，這就導致其工作空間較小；中國專利CN201110160345.X提出的兩自由度並聯機構可實現一維轉動和一維移動，結構簡單，但其承載能力較低。
發明內容
本發明的目的在於提供一種結構簡單、工作空間大、承載能力強、可實現空間兩個方向轉動的兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺。本發明的技術方案如下
本發明主要包括動平臺、定平臺以及連接這兩個平臺的四條分支，其中三條為結構完全相同且均勻分布的UPS驅動分支，另一條為UP中間約束分支。每條UPS驅動分支均由球鉸、電動缸和第一萬向鉸組成，其中，第一萬向鉸固定在定平臺上，三個第一萬向鉸中心在定平臺上成正三角形布置，電動缸的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸連接，球鉸與動平臺連接，三個球鉸中心在動平臺上成正三角形布置。UP中間約束分支位於動平臺與定平臺中心連線上，該分支有四種結構
第一種結構UP中間約束分支是由第二萬向鉸、移動副、鉸鏈、槓桿支撐環、槓桿、拉鎖、配重和支撐架組成。支撐架由支撐平臺和固定在該平臺四面的四條支腿組成，該四條支腿的一端與上述支撐平臺固連，其另一端與定平臺固連，在上述支撐平臺的中心設有方形通孔；第二萬向鉸與動平臺連接，移動副上端與上述第二萬向鉸連接，其下端插入上述支撐平臺的通孔中；槓桿支撐環固定在上述支撐平臺上，在該槓桿支撐環上面，鉸鏈固定在移動副四周，並與槓桿鉸接，上述槓桿與上述槓桿支撐環呈線接觸，上述槓桿外端設有拉鎖，該拉鎖的下端吊起配重，第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。
處於工作位置空載時，不加配重，由驅動分支電動缸支撐動平臺；加上負載時通過計算上平臺與負載重量之和與槓桿阻力臂的乘積可得到達到槓桿平衡條件下配重的質量，選擇合適的配重與之配合，以達到平臺在承受靜載時三條驅動分支的電動缸不受力的效果，減小了運動時驅動電機的扭矩和功率。自平衡槓桿與移動副通過一個可變換位置的鉸鏈連接，通過變換鉸鏈點位置調節平臺工作位置高度。動平臺由三個驅動分支驅動上平臺繞X、Y軸轉動，含有冗餘驅動，克服奇異位形。第二種結構
UP中間約束分支是由第二萬向鉸、移動副、鉸鏈、槓桿、槓桿支撐架、拉鎖、拉鎖連接杆、支撐架與配重組成。支撐架是由兩個門字形支架垂直相交組成，其中心形成方形通孔，該支撐架的四條支腿與與定平臺固連；第二萬向鉸與動平臺連接，移動副上端與上述第二萬向鉸連接，下端插入上述支撐架方形通孔中，第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。兩個槓桿支撐架分別固定在轉動副兩側的上述支撐架的橫梁上，四根槓桿的一端分別設在上述槓桿支撐架兩側，其該端頭的內側均設有拉鎖連接杆一，該拉鎖連接杆一上均設有拉鎖，該拉鎖的另一端分別與拉鎖連杆二兩端連接，該拉鎖連杆二的中部分別穿過設在上述移動副兩側上的鉸鏈；上述四根槓桿的另一端均設有通孔，拉鎖連接杆三的兩端分別穿過該通孔，配重的兩側設有帶通孔的吊耳，拉鎖連接杆四穿過該通孔，設在拉鎖連接杆三的兩端的拉鎖的另一端分別與拉鎖連接杆四兩端連接。處於工作位置時，加負載，通過用拉鎖連接在槓桿上的配重平衡上平臺及負載的鉛垂方向的重力。移動副上有多個螺紋孔用來固定與槓桿連接的鉸鏈，通過變換鉸鏈點位置調節平臺工作位置高度。第三種結構
UP中間約束分支是由第二萬向鉸、內設彈簧的移動副和支撐架組成，第二萬向鉸的一端與動平臺連接，其另一端與內設彈簧的移動副連接，支撐架的支撐套管固定在上述移動副的外側，支撐架的四條支腿的一端與上述支撐套管固連，其另一端與定平臺固連，在上述支撐架套管的上端與移動副之間設有導向套。上述第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。處於工作位置空載時，圓柱副內的彈簧處於壓縮狀態，其彈簧反力除抵消動平臺自重外，還給動平臺向上的推力，使動平臺給四個驅動分支預拉力；當動平臺承載時，圓柱副內的彈簧仍處於壓縮狀態，其彈簧反力平衡動平臺及負載鉛垂方向的靜載荷，相應驅動分支預拉力減小，並通過Z軸方向移動量改變彈簧壓縮量，控制驅動分支預拉力大小，用以平衡不同重量的負載。第四種結構
UP中間約束分支是由第二萬向鉸、液壓缸或氣缸和支撐架組成，第二萬向鉸的一端與動平臺連接，其另一端與液壓缸或氣缸的活塞杆一端相連，支撐架的四條支腿的一端與支撐架平臺固連並固定在上述液壓缸或氣缸的外側，其另一端與定平臺固連。處於工作位置空載時，進油口或進氣口進油或進氣，給一定垂直活塞向上的力，液壓缸或氣缸的活塞杆抬起，除抵消動平臺自重外，還給動平臺向上的推力，使動平臺給四個驅動分支預拉力；當動平臺承載時，進油口或進氣口的油壓或氣壓增大，垂直活塞向上的力增大，液壓缸或氣缸的活塞杆抬起，平衡動平臺及負載鉛垂方向的靜載荷，並通過Z軸方向移動量控制油壓或氣壓的大小，用以平衡不同重量的負載。本發明與現有技術相比具有如下優點
1、結構簡單，佔用體積小，工作空間大，可實現二維轉動，存在冗餘驅動，克服奇異位
形；
2、通過用拉鎖連接在槓桿上的配重平衡上平臺及負載的鉛垂方向的重力，增大平臺負載能力、減小驅動電機扭矩和功率的作用；
3、可調節平臺工作位置高度。4、電機驅動可在其工作空間內性能穩定，在承受負載時仍具有較高的動態響應，易於安裝和維護。5、兩個自由度，易於控制，在很多領域有廣泛的應用前景。
圖1為本發明實施例1的立體結構示意簡 圖2為本發明實施例1的中間分支結構的剖視 圖3為本發明實施例2的立體結構示意簡 圖4為本發明實施例2的中間分支結構的立體示意簡 圖5為本發明實施例3和實施例4的立體結構示意簡 圖6為本發明實施例3的中間分支結構的剖視 圖7為本發明實施例4中間分支結構的剖視圖。
具體實施例方式實施例1
在圖1和圖2所示的兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺的結構示意簡圖中，三條為結構完全相同且均勻分布的UPS驅動分支的第一萬向鉸4固定在定平臺5上,三個第一萬向鉸中心在定平臺上成正三角形布置；電動缸3的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸2連接，該球鉸與動平臺I連接，三個球鉸中心在動平臺上成正三角形布置。UP中間約束分支位於動平臺與定平臺中心連線上，支撐架11由支撐平臺和固定在該平臺四面的四條支腿組成，該四條支腿的一端與上述支撐平臺固連，其另一端與定平臺固連，在上述支撐平臺的中心設有方形通孔；第二萬向鉸6與動平臺連接，移動副7上端與上述第二萬向鉸連接，其下端插入上述支撐平臺的通孔中；槓桿支撐環8固定在上述支撐平臺上，在該槓桿支撐環上面，鉸鏈13固定在移動副四周，並與槓桿9鉸接，上述槓桿與上述槓桿支撐環呈線接觸，上述槓桿外端設有拉鎖10，該拉鎖的下端吊起配重12，第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。實施例2
在圖3和圖4所示的兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺的結構示意簡圖中，UP中間約束分支位於動平臺與定平臺中心連線上，支撐架11是由兩個門字形支架垂直相交組成，其中心形成方形通孔，該支撐架的四條支腿與與定平臺5固連；第二萬向鉸6與動平臺I連接，移動副7上端與上述第二萬向鉸連接，下端插入上述支撐架方形通孔中，第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。兩個槓桿支撐架14分別固定在轉動副兩側的上述支撐架的橫梁上，四根槓桿15的一端分別設在上述槓桿支撐架兩側，其該端頭的內側均設有拉鎖連接杆一 16，該拉鎖連接杆一上分別設有拉鎖17，該拉鎖的另一端均與拉鎖連杆二 18的兩端連接，該拉鎖連杆二的中部分別穿過設在上述移動副兩側上的鉸鏈13 ;上述四根槓桿的另一端均設有通孔，拉鎖連接杆三19的兩端分別穿過該通孔，配重12的兩側設有帶通孔的吊耳，拉鎖連接杆四20穿過該通孔，設在拉鎖連接杆三的兩端的拉鎖21的另一端分別與拉鎖連接杆四兩端連接。其它部件和連接關係與實施例1相同。實施例3
在圖5和圖6所示的兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺的結構示意簡圖中，UP中間約束分支位於動平臺與定平臺中心連線上，第二萬向鉸6的一端與動平臺I連接，其另一端與內設彈簧23的移動副25連接，支撐架11的支撐套管22固定在上述移動副的外側，支撐架的四條支腿的一端與上述支撐套管固連，其另一端與定平臺固連，在上述支撐架套管的上端與移動副之間設有導向套24，上述第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。其它部件和連接關係與實施例1相同。實施例4
在圖5和圖7所示的兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺的結構示意簡圖中，UP中間約束分支位於動平臺與定平臺中心連線上，第二萬向鉸6的一端與動平臺連接,其另一端與液壓缸28的活塞杆29 —端相連，26為進油口，27為出油口，支撐架11的四條支腿的一端與支撐架平臺固連並固定在上述液壓缸外側，其另一端與定平臺5固連。其它部件和連接關係與實施例1相同。
權利要求
1.一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺，主要包括動平臺、定平臺以及連接這兩個平臺的四條分支，其中三條為結構完全相同且均勻分布的UPS驅動分支，另一條為UP中間約束分支，其特徵在於其每條UPS驅動分支中的第一萬向鉸固定在定平臺上，三個第一萬向鉸中心在定平臺上成正三角形布置；電動缸的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸連接，球鉸與動平臺連接，三個球鉸中心在動平臺上成正三角形布置;UP中間約束分支中的支撐架由支撐平臺和固定在該平臺四面的四條支腿組成，該四條支腿的一端與上述支撐平臺固連，其另一端與定平臺固連，在上述支撐平臺的中心設有方形通孔；第二萬向鉸與動平臺連接，移動副上端與上述第二萬向鉸連接，其下端插入上述支撐平臺的通孔中；槓桿支撐環固定在上述支撐平臺上，在該槓桿支撐環上面，鉸鏈固定在移動副四周，並與槓桿鉸接，上述槓桿與上述槓桿支撐環呈線接觸，上述槓桿外端設有拉鎖，該拉鎖的下端吊起配重，第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。
2.一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺，主要包括動平臺、定平臺以及連接這兩個平臺的四條分支，其中三條為結構完全相同且均勻分布的UPS驅動分支，另一條為UP中間約束分支，其特徵在於其每條UPS驅動分支中的第一萬向鉸固定在定平臺上，三個第一萬向鉸中心在定平臺上成正三角形布置；電動缸的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸連接，球鉸與動平臺連接，三個球鉸中心在動平臺上成正三角形布置;UP中間約束分支中的支撐架是由兩個門字形支架垂直相交組成，其中心形成方形通孔，該支撐架的四條支腿與與定平臺固連；第二萬向鉸與動平臺連接，移動副上端與上述第二萬向鉸連接，下端插入上述支撐架方形通孔中，第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺；兩個槓桿支撐架分別固定在轉動副兩側的上述支撐架的橫梁上，四根槓桿的一端分別設在上述槓桿支撐架兩側，其該端頭的內側均設有拉鎖連接杆一，該拉鎖連接杆一上均設有拉鎖，該拉鎖的另一端分別與拉鎖連杆二兩端連接，該拉鎖連杆二的中部分別穿過設在上述移動副兩側上的鉸鏈；上述四根槓桿的另一端均設有通孔，拉鎖連接杆三的兩端分別穿過該通孔，配重的兩側設有帶通孔的吊耳，拉鎖連接杆四穿過該通孔，設在拉鎖連接杆三的兩端的拉鎖的另一端分別與拉鎖連接杆四兩端連接。
3.一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺，主要包括動平臺、定平臺以及連接這兩個平臺的四條分支，其中三條為結構完全相同且均勻分布的UPS驅動分支，另一條為UP中間約束分支，其特徵在於其每條UPS驅動分支中的第一萬向鉸固定在定平臺上，三個第一萬向鉸中心在定平臺上成正三角形布置；電動缸的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸連接，球鉸與動平臺連接，三個球鉸中心在動平臺上成正三角形布置;UP中間約束分支中的第二萬向鉸的一端與動平臺連接，其另一端與內設彈簧的移動副連接，支撐架的套管固定在上述移動副的外側，支撐架的四條支腿的一端與上述支撐套管固連，其另一端與定平臺固連，在上述支撐架套管的上端與移動副之間設有擋環，上述第二萬向鉸中心與動平臺中心連線垂直於動平臺。
4.一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺，主要包括動平臺、定平臺以及連接這兩個平臺的四條分支，其中三條為結構完全相同且均勻分布的UPS驅動分支，另一條為UP中間約束分支，其特徵在於其每條UPS驅動分支中的第一萬向鉸固定在定平臺上，三個第一萬向鉸中心在定平臺上成正三角形布置；電動缸的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸連接，球鉸與動平臺連接，三個球鉸中心在動平臺上成正三角形布置;UP中間約束分支中的第二萬向鉸的一端與動平臺連接，其另一端與液壓缸或氣缸的活塞杆一端相連，支撐架的四條 支腿的一端與支撐架平臺固連並固定在上述液壓缸或氣缸的外側，其另一端與定平臺固連。
全文摘要
一種兩自由度靜載平衡並聯運動模擬平臺，包括動平臺、定平臺以及連接這兩個平臺的四條分支，其中三條為結構完全相同的UPS驅動分支，另一條為UP中間約束分支，其每條UPS驅動分支中的第一萬向鉸固定在定平臺上，電動缸的尾部與上述第一萬向鉸連接，該電動缸的伸縮杆與球鉸連接，球鉸與動平臺連接；UP中間約束分支為槓桿配重結構或是內設彈簧的移動副結構或是液壓缸或氣缸結構，上述四種結構通過第二萬向鉸與動平臺連接，並通過支撐架與定平臺連接。本發明佔用結構簡單、工作空間大、承載能力強、穩定性好。
文檔編號G09B25/02GK103035161SQ20121053072
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者趙鐵石, 潘秋月, 唐啟敬 申請人:燕山大學